导语

热力学第二定律是所有科学中最神圣的定律之一，但它始终建立在 19 世纪关于概率的论点之上。新的论点将其真正来源追溯到量子信息的流动。

研究领域：热力学第二定律，信息论

Philip Ball | 作者

潘佳栋 | 译者

邓一雪 | 编辑

在所有物理定律中，热力学第二定律是最神圣的。熵是描述系统无序的一种度量，在自然界中具有不减的性质。英国天体物理学家亚瑟·艾丁顿（Arthur Eddington）在其1928年出版的《物理世界的本质》（the Nature of the Physical World）一书中写道：“如果有人提出，你最喜欢的宇宙理论并不满足麦克斯韦方程组，那么麦克斯韦方程组就糟糕了”，“如果它被发现与实验相矛盾——嗯，这些实验主义者有时会把事情搞砸。但是如果你的理论被发现违背热力学第二定律，那么没有任何希望，该理论除了崩溃之外，不会有其他可能。”然而，人们没有观察到任何违反热力学第二定律的行为。

但是关于热力学第二定律一些问题也正在困扰着物理学家。有些人不相信我们能够正确理解它，也不相信它的基础是没有问题的。虽然热力学第二定律被称为定律，但它通常被认为只是描述概率的定律：它规定过程的结果是最可能发生的情况。

然而，物理学家不只是想描述有可能发生的事情。“我们更喜欢精确的物理定律，”牛津大学的物理学家Chiara Marletto[1]说。能否将第二定律收紧为不仅仅是对可能性的陈述？

许多独立团队似乎就是这样做的。他们可以从量子力学的基本原理中推导出第二定律。然而，一些人怀疑，在最深层次上，它们具有方向性和不可逆性。根据这种观点，第二定律的出现不取决经典概率，而取决于纠缠等量子的效应。它源于量子系统中信息共享的方式，以及决定什么是允许发生的，什么是不允许发生的基本量子原理。由此可见，熵的增加不仅仅是变化过程中最可能的结果。这是我们所知道的信息的量子资源所造成的结果。

热力学是在 19 世纪初构思出来的，用来描述热量的流动和功的产生。随着蒸汽动力推动工业革命，人们迫切需要这种理论，工程师们希望使他们的设备尽可能效率高。

然而，热力学并没有为制造更好的发动机提供太多帮助。相反，它成为现代物理学的核心支柱之一，提供了支配所有变化过程的标准。

图1：Chiara Marletto, 牛津大学的物理学家

经典热力学只有少数几条定律，其中最基本的是热力学第一定律和热力学第二定律。第一定律说能量总是守恒的；第二定律说热总是从热的地方流向冷的地方。更常见的是，将定律用熵来表示，在任何变化过程中，熵都必须整体增加。熵大致等同于无序，但奥地利物理学家玻尔兹曼将其更严格地表述为与系统拥有的微观状态总数相关的量：其粒子可以排列多少等价方式。

第二定律似乎首先说明了为什么会发生变化。在单个粒子的水平上，经典的运动定律可以及时逆转。但是第二定律意味着变化必须发生在增加熵的情况中。这种方向性被广泛认为强加了一个时间箭头。在这种观点中，时间从过去流向未来，这是因为宇宙开始——出于尚未完全理解或商定的原因——处于低熵状态，向高熵的方向发展。这意味着最终热量会均匀地传播，并且不会有促进进一步变化的驱动力——19世纪中叶的科学家将这种令人沮丧的前景称为宇宙的热寂。

玻尔兹曼对熵的微观描述似乎可以解释该方向性。更无序且熵更高的多粒子系统的数量远远超过有序的低熵状态，因此分子相互作用更有可能最终产生无序的状态。第二定律似乎只是关于统计：它是大数定律。在这种观点中，熵不能减少没有根本原因——例如，你房间里的所有空气分子几乎不可能偶然聚集在一个角落。

然而，这种概率统计物理学留下了一些尚未解决的问题。它引导我们走向最可能的微观状态，并迫使我们满足于在整个可能状态集合中取平均值。

但是经典物理定律具有确定性——它们只允许单一结果。那么，如果只出现一种结果，那么这种假设的状态集合究竟会在哪里出现呢？